Arbeitsblatt: Elektrizität

Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Inhalt Was ist Elektrizität 1 Wie kann man Strom sehen 2 Atomaufbau und elektrische Ladung 3 Leiter und Nichtleiter Elektronegativität 4 5 1. Was fällt dir zum Begriff „Elektrizität ein? 2. Welche Auswirkungen hätte ein Stromausfall? 3. Was weisst du über Strom? 1 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 4. Wie kann man Strom sehen? Die Elektrizität Versuch 1: Elektrische Ladung 2 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Beim Kämen deiner frisch gewaschenen Haare hast du vermutlich schon eine merkwürdige Sache bemerkt. Was passiert? Versuch 2: Wir nehmen einen Plastikstab und reiben ihn an einem Wollpullover. Das Den geriebenen Plastikstab halten wir über kleine Papierschnitzel oder Styroporkügelchen. Was passiert. Skizze: Versuch3: Reibe einen Luftballon ein paar Mal Kräftig an einem Wollpullover. Was kannst du daraufhin mit dem Luftballon machen? Skizze: 3 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Jeder Stoff enthält Elektrizität, er enthält sowohl positive Ladungen wie auch negative Ladungen! Ein Stoff, dessen positive Ladungen und negative Ladungen gleich gross sind, ist elektrisch_ und erzeugt keine elektrische. Alle Stoffe sind normalerweise ungeladen, da sie gleich viele wie enthalten. Die Haare, der Plastikstab und der Luftballon sind somit. Durch das Reiben an einem anderen Stoff . Ein elektrisch geladener Körper kann zum Beispiel kleine anziehen. 5. Wie kommt es, dass sich zwei ungeladene Körper durch gegenseitige Reibung aufladen? Wenn ich zwei Stoffe aneinander reibe, gehen Elektronen von einem Stoff auf den anderen Stoff über. Dabei werden aus den ursprünglich ungeladenen Stoffen geladene Stoffe. Der Stoff, der Elektronen erhält wird negativ geladen, der Stoff der Elektronen abgibt, wird positiv geladen. Merke: Beispiel: 4 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Wenn eine zunächst ungeladene Person über einen Teppich aus Wolle läuft, sind ihre Ledersohlen weniger „gierig auf Elektronen als die Wolle des Teppichs. Man sagt Leder hat eine geringere Elektronegativität als Wolle. Als Folge entzieht der Teppich dem Leder der Schuhsohle bei jedem Schritt Elektronen. Der Teppich lädt sich dabei negativ auf, die Person wird positiv geladen. Die Ladung Verteilt sich nun über den ganzen Körper. Wenn die Person nun die Türklinke berührt, erfolgt ein Ladungsausgleich: Elektronen, die sich frei bewegen können, gehen von der Türklinke auf die Person über die Person erhält einen kleinen elektrischen Schlag. Wenn die Person Gummisohlen getragen hätte, wäre alles umgekehrt gewesen, die Person wäre somit negativ aufgeladen worden. Den elektrischen Schlag bekommt sie jedoch in beiden Fällen! Elektronegativität: Einige Materialien sind besonders „gierig anderen Materialien Elektronen zu entreissen, wenn sie mit ihnen in Kontakt kommen. Andere Materialien geben gerne Elektronen ab. Wenn man zwei Stoffe aus der unten stehenden Liste aneinander reibt, dann lädt sich ein Stoff der weiter oben in der Liste steht eher positiv auf, ein weiter unten in der Liste eher negativ. Dabei ist wichtig, dass die Reihenfolge so nur gilt, wenn die Stoffe sauber und trocken sind. Feuchtigkeit, Schutz oder Öle beeinflussen das Verhalten der Stoffe. 5 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Elektronegativität Menschliche Hand (trocken) Leder Fell (Hase) Glas Menschliches Haar Nylon Wolle Fell Blei Seide Aluminium Papier Baumwolle Stahl Holz Bernstein Hartgummi Nickel, Kupfer Messing, Silber Gold, Platin Poyester Schaumstoff PVC Silicon Gibt eher Elektronen ab, d.h. wird eher Nimmt eher Elektronen auf, d.h wird eher Aufgabe: Bestimme die Ladung folgender Stoffe, wenn sie aneinander gerieben werden: a) Wolle und PVC b) Seide und Glas c) Menschliches Haar und Holz Wie kann man Ladung sichtbar machen? 6 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Beschreibe wie das Elektroskop funktioniert: Das Elektroskop kann die sichtbar machen. Er kann jedoch nicht anzeigen, ob es sich dabei um eine oder handelt. Technische Stromrichtung (veraltet !) Die technische Stromrichtung entstand, als man noch nichts über den Aufbau der Atome wusste und man deshalb annahm, dass auf der Seite des Pluspols ein Teilchenüberschuss herrscht. Im Gegenzug vermutete man, dass am Minuspol ein Teilchenmangel vorliegt. Deshalb definierte man die Stromrichtung. In den folgenden Jahrhunderten wurde in allen physikalischen Schriften diese Stromrichtung verwendet. Als man schließlich mehr über den Bau der Atome wusste und feststellte, dass die positiv geladenen Protonen nicht aus dem Atomkern zu entfernen sind, sondern ein starres Gerüst bilden, aus dessen Umfeld man nur die negativ geladenen Elektronen bewegen kann, musste man erkennen, dass die bisher angenommene Stromrichtung nicht der Realität entsprach. Doch da bereits viele Bücher diese Stromrichtung verwendeten schaffte man sie nicht ganz ab, sondern gab ihr den Namen technische Stromrichtung. Die physikalische Stromrichtung. Die Physikalische Stromrichtung bezeichnet die Bewegungsrichtung der Elektronen zwischen den beiden Polen eines Stromkreises. Am Minuspol herrscht ein Elektronenüberschuss, 7 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN weshalb die negativ geladenen Elektronen eine insgesamt negative Ladung an diesem Pol verursachen. Am Pluspol herrscht währenddessen ein Elektronenmangel wodurch die positiv geladenen Protonen für eine positive Ladung sorgen. Physikalisch gesehen, und so ist auch die physikalische Stromrichtung definiert, bewegt sich der Strom . Da man nun weiß, dass sich die Elektronen bewegen müssen und nicht die Protonen, damit Strom fließt, verwendet man inzwischen fast ausschließlich Kabel aus Stoffen, aus deren Atomen die Elektronen leicht zu entfernen sind, wie Kupfer oder Gold. Ladungsart bestimmen mit einem Glimmlämpchen (V 26) V1) Reibe ein Wolltuch an einem Plastikstab. Berühre nun den Plastikstab mit dem Glimmlämpchen. Was beobachtest du? Skizziere mit Bleistift! V2) Reibe Polyester oder Seide an einem Glasstab. Berühre nun den Glasstab mit dem Glimmlämpchen. Was Beobachtest du? Skizziere! Skizze zu V1 Skizze zu V2 1 Worin haben sich die beiden Versuche unterschieden? 2) Füge folgende zwei Begriffe in die Sätze ein: berührt nicht berührt Bei einem negativ geladenen Körper leuchtet die Glimmlampe auf der Seite, die den Körper Bei einem positiv geladenen Körper leuchtet die Glimmlampe auf der Seite, die den Körper 3) Erkläre wie die Glimmlampe funktioniert: 8 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 4) 25 Was hat ein Wolllappen mit Magie zu tun? Zeichne eine Skizze deiner Beobachtung: Zusammenfassung: a) Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladung: negative und positive b) Werden zwei Stoffe aneinander gerieben, wobei einer davon die Tendenz besitzt eabzugeben und der anderen aufzunehmen, so laden sie sich gegenseitig auf. c) Der Stoff, der dabei die e- aufnimmt ist danach negativ geladen. d) Der Stoff, der dabei die e- abgibt ist danach positiv geladen. e) Alle Stoffe streben nach einer neutralen Ladung, d.h. sie versuchen immer gleich viele f) Elektronen und Protonen zu haben. Berührt ein geladener Stoff einen nicht geladenen, so g) gleicht er seine Ladung aus. Gleiche elektrische Ladungen stossen sich ab. h) Ungleiche elektrische Ladungen ziehen sich an. Was ist elektrischer Strom überhaupt? Elektrostatisches Grundgesetz 9 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Unser elektrischer Strom im Haushalt hat eine grosse Ähnlichkeit mit unserem mit Druckwasser betriebenen Phantasiehaus. Aus den „Steckdosen schiesst jedoch nicht Wasser (unter hohem Druck), sondern elektrischer Strom (unter hoher Spannung). Was fliesst eigentlich, wenn ein elektrischer Strom fliesst? Das hat man lange Zeit nicht gewusst, aber heute wissen wir: Es sind elektrisch negativ geladene Teilchen, so genannte Elektronen, die da fliessen. Nicht durch Rohre, wie das Wasser, sondern in sogenannten elektrischen Leitern. Metalle eignen sich hier sehr gut, vor allem Silber, Kupfer und Aluminium. Andere Stoffe eignen sich schlecht als Elektronenleiter, man nennt sie Isolatoren. Elektronen – Träger der Elektrizität Elektrizität ist eine grundeigenschaft der Materie. Alle Materie ist aus Atomen aufgebaut. Ein Atom besteht aus dem positiv geladenen Atomkern und den negativ geladenen Elektronen. Sie umkreisen den Atomkern. Elektrische Kräfte halten die Atome zusammen. Was weisst du noch? Ergänze die Lücken. Alle Stoffe bestehen aus . Das Atom besteht aus einem K und einer H. Die Teilchen im Kern heissen P, sie sind geladen und N_, sie haben k_ Ladung. Die Teilchen der Hülle heissen , sie sind n geladen. 10 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Die Elektronen auf der äussersten Umlaufbahn sind nur locker an den Atomkern gebunden. Sie können ihre Bahn verlassen. Als freie Elektronen bewegen sie sich dann zwischen den Atomen. Sie sind die Träger der Elektrizität. Wird der Druck auf sie ausgeübt, z. B. durch eine Stromquelle, bewegen sich alle freien Elektronen in die gleiche Richtung. Strom fliesst. 1.1. Leiter und Nichtleiter Hat ein Stoff viel Raum zwischen seinen Atomen, können sich die freien Elektronen leicht bewegen. Dieser Stoff ist ein guter Leiter. Sind die Atome dicht beieinander, bleibt den freien Elektronen wenig Platz zur Bewegung. Diese Stoffe sind schlechte Leiter. Sie keine Zwischenräume vorhanden, ist keine Bewegung möglich. Diese Stoffe sind Isolatoren. Metalle und Gegenstände aus Graphit (Bleistiftmine) leiten den Strom sehr gut. Graphit ist der einzige feste Körper, der als Nichtmetall den Strom leitet. Der beste Leiter ist Silber. Für Metalldrähte in Kabeln verwendet man aber das billigere Kupfer. Gase sind normalerweise Nichtleiter. Unter bestimmten Bedingungen, wie in der Neonröhre oder bei Gewittern, können aber auch Gase zu Leitern werden. Lampe leuchtet Stoff gut schwach nicht Gummi Pastik Papier Destilliertes Wasser Hahnenwasser Bleistiftmine Holz trocken Holz feucht Erde trocken Erde feucht Metall Wir untersuchen verschiedene Stoffe auf ihre elektrische Leitfähigkeit. Versuchsaufbau: Der einfache Stromkreislauf 11 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Aufgabe: Du hast eine Batterie und ein Lämpchen zur Verfügung. Bringe das Lämpchen zum Brennen. Zeichne deine Anordnung! Bravo, du hast es geschafft. Zeichne nun ein, wie man einen Leitungsdraht an der Batterie und der Fassung befestigen muss. Male nun mit einem Rotstift nach, wie der Strom fliesst. Baue eine Schaltung Skizziere dein Schaltbild a) mit einer Stromquelle, einem Lämpchen und einem Ein-/Ausschalter b) mit einer Stromquelle und 2 Lämpchen 12 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN c) mit einer Stromquelle, zwei Lämpchen und einem Schalter, so dass beide Lämpchen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden können. Wir sehen, dass es nötig ist, beide Pole der Batterie mit dem Lämpchen zu verbinden. Nur so fliessen die Elektronen. Sie sind nämlich ganz vorsichtige Kerle. Sie machen sich vom negativen Batteriepol (Minuspol) nur dann auf den Weg, wenn ihr Rückweg zum positiven Batteriepol (Pluspol) gesichert ist. In der Fachsprache heisst das: Der Stromkreis ist geschlossen! Der Schaltplan Symbole im Stromkreislauf Beschrifte folgende Symbole Übungen: Links findest du einen Schaltplan vor. Ergänze, passend zu diesem Schaltplan, das rechte Bild, indem du die Leitungen einzeichnest. Zeichne den zum rechten Bild gehörigen Schaltplan. 13 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 14 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Serieschaltung Parallelschaltung In einem Stromkreislauf können die Elektronen, die von der Stromquelle abgegeben werden, auf verschiedenen Wegen zurück zur Stromquelle fliessen. Diese Wege nennt man auch Stromzweige. Baue mit den Experimentierkästen aus dem Schrank zwei Stromkreise nach folgenden Zeichnungen. Drehe in jedem Stromkreis jeweils eine Glühbirne aus. Welche Feststellung kannst du machen? Serieschaltung Parallelschaltung Ergänze die Sätze: Der Strom kann Der Strom kann Fällt ein Lämpchen aus, Fällt ein Lämpchen aus, Die Lämpchen lassen sich Die Lämpchen lassen sich Vorteile: Vorteile: Was bewirken die jeweiligen Schalter A, B, C, D? A D B 1 2 2 1 15 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 16 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Aufgabe: Ist der Stromkreislauf geschlossen? Entscheide ob die Lampen leuchten. Gefahren des elektrischen Stroms Beim Umgang mit dem elektrischen Strom musst du dich grundsätzlich vorsehen. Nur Stromkreise mit Batterien, kleinen Dynamos oder Netzgeräten („Trafos) als Stromquelle sind ungefährlich. Die Gefahr beruht darin, dass auch du selbst ein elektrischer Leiter bist – wenn auch kein so guter wie ein Draht aus Metall. Wie kommt es eigentlich, dass auch der menschliche Körper den Strom leiten kann? Denk an die Leitfähigkeit von Kochsalz. Der Mensch besteht zu fast zwei Dritteln aus salzhaltigem Wasser! Wenn jemand einen Stromschlag bekommt, dann das für ihn ganz böse ausgehen: Seine Muskeln verkrampfen sich und sein Herz kann nicht mehr ungestört arbeiten. Dazu kommen noch Verbrennungen. Das kann tödliche Folgen haben! Bei einem Elektrounfall ist schnelle Hilfeleistung entscheidend: Wenn der Verunglückte sich noch im Stromkreis befindet, darf man ihn auf keinen Fall anfassen. Zuerst muss der Stromkreis unterbrochen werden (Sicherung, Hauptschalter). Auf dem Bild geschehen einige Dinge, die gefährlich sind. Markiere sie mit einem roten X. Nummeriere die Kreuze. Schreibe in dein Notizheft zu jeder Nummer auf, warum man etwas nicht tun soll. Beispiel (nicht auf dem Bild): Flicke nie eine Sicherung selber, weil du dann nicht mehr geschützt bist. Die Spannung (U) Je grösser der Druck ist, den die Wasserpumpe erzeugt, desto schneller bewegt sich das Wasser in den Leitungen. Im elektrischen Stromkreis ist es ähnlich. Je grösser der „Druck ist, den eine Stromquelle erzeugen kann, desto grösser ist auch die Bewegung der Elektronen. Dieser „Druck wir im Stromkreis Spannung genannt. Die Spannung wird in Volt gemessen. Formelbuchstabe: 1 1000 mV „Elektrische Fische Es gibt etwa 200 Arten von elektrischen Fischen. Zitterrochen und Zitteraal haben besondere Organe, die Spannungen bis zu 800 Volt erzeugen können. Die Stromstärke ist für Menschen lebensgefährlich. Andere elektrische Fische, wie Nilhecht, Hai oder Messeraal, erzeugen Spannungen von nur einigen Millivolt. Sie rufen damit elektrische Felder hervor. Mit speziellen Sinnesorganen können sie Veränderungen des Feldes durch Gegenstände oder andere Lebewesen feststellen und sich so auch in trüben oder dunklen Gewässern orientieren. Wir messen Spannung: Spannungen misst man mit dem Spannungsmessgerät (Voltmeter). Die Einheit der Spannung ist das Volt (V). Hohe Spannungen werden in Kilovolt angegeben, kleine Spannung in Millivolt. 17 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 1 kV (1 Kilovolt) V_ (Volt) 1 mV (1 Millivolt) V_ (Volt) !!Achtung: Das Spannungsmessgerät wird immer parallel geschaltet. Eine falsche Schaltart kann das Messgerät zerstören!! U2 U1 U4 U3 Unverzweigter Stromkreis (Reihenschaltung): Bau den Schaltplan nach, miss die Spannungen und trage sie in die Tabelle ein: U U Spannung U1 U2 Volt U3 U4 Beobachtung: Die Summe der Teilspannungen ist der Totalspannung an der Spannungsquelle. Die Stromstärke (I) Im Wasserstromkreis wird von der Pumpe Wasser in Bewegung gesetzt. Im elektrischen Stromkreis werden von der Stromquelle Elektronen bewegt. Je dicker die Wasserleitung ist, desto mehr Wasser kann bewegt werden. Auch im elektrischen Stromkreis kann man sagen: je grösser der Querschnitt eines Drahtes ist, desto mehr Elektronen können bewegt werden. Für die Menge der Elektronen, die in einem bestimmten Zeitraum bewegt werden, hat man die Stromstärke festgelegt. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter fliessen, desto grösser ist die Stromstärke. Die Stromstärke (I) gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fliessen. Die Stromstärke wird in Ampère gemessen. Formelbuchstabe: 1 1000 mA 18 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Wir messen die Stromstärke: Die Stromstärke (Abkürzung) wird mit dem Ampèremeter gemessen, welches mit dem Verbraucher in Serie geschaltet ist. Die Masseinheit ist das Ampère. 1 Milliampère (1mA) 1 Mikroampère (A) 1 Nanoampère (nA) Das Strommessgerät benutzt die magnetische Wirkung des Stromes: Grosse Stromstärke grosse Wirkung (grosser Zeigerausschlag) Kleine Stromstärke kleine Wirkung (kleiner Zeigerausschlag) Voltmeter und Ampèremeter werden nicht gleich in einen Stromkreis eingefügt! Mit dem Voltmeter möchten wir ja den Druck zwischen zwei Polen messen, mit dem Ampèremeter aber die Menge der durchfliessenden Elektronen. !!Achtung: Das Amperemessgerät wird immer in Serie geschaltet. Eine falsche Schaltart kann das Messgerät zerstören!! Messung der Stromstärke Baue einen Stromkreis mit einer Lampe und einer Spannungsquelle. Wenn das Ganze funktioniert, wird an einer Stelle die Leitung unterbrochen und ein Amperemeter eingebaut. Miss die Stromstärke an verschiedenen Stellen. Ist der Strom vor und nach der Lampe gleich gross? Verwende verschiedene Lampen und notiere deren Amperezahl in der Tabelle. Spannungsquelle Lampe Messung Stromlieferungsgerät Stromlieferungsgerät Stromlieferungsgerät 19 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN Wiederhole nun den Versuch, schalte nun zwei Lampen parallel in den Stromkreis und miss vor und nach beiden Lampen. Halte deine Messungen in der Tabelle fest. Spannungsquelle Lampe A Vor L1 Messungen Nach Vor L1 L2 Nach L2 Stromlieferungsgerät Erkenntnis: Zusammenfassung Spannung und Stromstärke Schaltart (unverzweigter Stromkreis) (verzweigter Stromkreis) Schaltskizze 1 20 Naturlehre Physik Elektrizität 1 ELEKTRIZITÄT ALLGEMEIN 2 3 1 B 2 3 Gesetze für den skizzierten Fall Anwendungen Ziel Vorteil 21